[发明专利]一种四自由度机械臂运动规划方法

说明书

本发明公开了一种四自由度机械臂运动规划方法，一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速‑匀速‑减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度；三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动；本发明能够解决四自由度机械臂规划算法中雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，同时加快计算效率。

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种四自由度机械臂运动规划方法。

背景技术

路径规划算法是机械臂控制器内的关键单元，用来实现机械臂任务执行路径的计算功能。它集成了机械臂运动学正解、运动学逆解、轨迹规划控制等内容。

四自由度机械臂是一种由四个活动关节和多个连杆串联而成的机械臂。通过不同关节的转动角度组合可以实现机械臂末端三个位置自由度的确定和一个姿态自由度的确定。通常被操作对象只对在三维空间中的位置和单个方向的姿态有需求，故四自由度机械臂是一种常用的操作机械臂。

现有的机械臂运动规划方法多是在本体坐标系的基础上基于D-H(Denavit-Hartenberg)参数而建立，D-H参数就是一个用四个参数表达两对关节连杆之间位置角度关系的机械臂数学模型和坐标系确定系统。通过各连杆间坐标系D-H参数确定机械臂关节与末端位姿间的映射关系，即雅可比矩阵。四自由度机械臂运动规划过程中已知末端位姿求解各关节变量，则需要对6×4行列式的雅可比矩阵求逆运算，其非方阵，需求伪逆，运算量巨大，对于有限的空间计算资源而言，该方法并不优化。

笛卡尔空间轨迹规划较直观且能保证轨迹精度，得到的输出为各结点手臂的位姿矩阵。对于欠自由度机械臂，在其工作空间内，只能达到全部定位和部分定向，对于轨迹规划出来的一系列中间位姿点，可能没有对应的关节变量逆解，位置全部可解，姿态部分可解，从而出现可解性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种四自由度机械臂运动规划方法，能够解决四自由度机械臂规划算法中雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，同时加快计算效率。

实现本发明的技术方案如下：

一种四自由度机械臂运动规划方法，包括以下步骤：

步骤一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速-匀速-减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；

步骤二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度；

步骤三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动。

进一步地，步骤二中，所述位置级逆解具体为：在得到机械臂当前末端位姿数据后，对于非冗余自由度的四自由机械臂，通过机械臂根部关节角度确定整臂臂平面位置，进而在臂平面内根据连杆间几何关系确定其余三个关节角度，其有两种确定构型与之对应，即产生两组肘部关节、腕部关节I、腕部关节II对应的角度，然后选取与当前肘部关节、腕部关节I、腕部关节II角度最接近的一组角度值作为肘部关节、腕部关节I、腕部关节II的规划角度。

有益效果：

由于四自由度机械臂的特殊构型，本发明采用三维位置矢量及末端执行器与机械臂根部所在平面的夹角来表示机械臂末端执行器的位姿。机械臂运动学逆解采用位置级逆解方法，解决了雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，将机器人学中复杂的雅克比逆解算法化解为简单的几何求解法，加快了计算效率，降低对控制器硬件的需求，有助于提高任务完成可靠性。

附图说明